摘要
21世纪以来，我国人口老龄化情况逐渐加剧，并且随着工业的发展，患有骨疾病的患者逐年增加，人工骨骼植入物成为解决这一问题的重要途径，而传统加工方式难以对骨骼结构进行精准的成形，并且金属力学性能与人体骨骼并不匹配，在植入后难以对骨细胞形成有效的刺激，易产生“应力集中”“应力屏蔽”等现象。选择合适的加工方法、降低骨组织支架弹性模量成为研究的重点。选择性激光熔化技术可以通过激光熔化金属粉末的形式逐层叠加加工，能够根据内部通孔结构精准制备骨组织支架，并且多孔结构有效降低了金属的弹性模量，可以通过控制多孔结构、孔洞尺寸等设计要素来控制支架的力学性能与人体骨骼相匹配；研究基于选择性激光熔化技术制备多孔骨骼支架，开展了以下的研究： 设计了A、B、C、D四种不同结构、孔隙率在65%～90%的多孔骨骼支架，孔隙率每5%设置一个梯度；利用有限元仿真软件对设计的多孔骨骼支架进行了力学性能模拟及流体仿真模拟，探究了Ti6Al4V合金、316L不锈钢多孔骨骼支架的变形机理、受压时应力分布情况，并且通过流体仿真模拟获得了人体体液在多孔支架内部的流动规律以及应力场、速度场分布，得到了能够承受人体体液冲击且不会对人体造成伤害的多孔结构及孔隙率范围。 为了研究SLM技术成形的多孔骨骼支架的力学性能，本文对制备的316L不锈钢多孔骨骼支架、Ti6Al4V多孔骨骼支架分别进行了压缩试验及硬度测试，实验证明316L不锈钢多孔骨骼支架具有良好的延展性，受到压力后变形以偏移为主，单元杆向外膨出，逐步压缩内部空间；Ti6Al4V多孔骨骼支架具有更好的抗压强度，变形以单元杆的断裂为主，在压缩过程中多次断裂逐步压缩空间；硬度方面Ti6Al4V多孔骨骼支架在热处理前后均明显大于316L不锈钢多孔骨骼支架；Ti6Al4V多孔骨骼支架在力学性能方面优于316L不锈钢多孔骨骼支架。根据仿真模拟结果和压缩实验结果得到Ti6Al4V支架中C结构孔隙率90%的多孔骨骼支架适用于人体松质骨的植入；B结构孔隙率75%、C结构孔隙率80%～85%、D结构孔隙率70%～75%的多孔骨骼支架适用于人体皮质骨的植入；316L不锈钢中B结构孔隙率90%、C结构孔隙率90%的多孔骨骼支架适用于人体松质骨的植入，B结构孔隙率80%、C结构孔隙率80%～85%、D结构孔隙率80%的多孔骨骼支架适用于人体皮质骨的植入。 为了了解SLM技术成形的多孔骨骼支架微观组织及演变过程，本文通过金相实验、SEM、XRD、EDS等方法对两种材料成形的多孔骨骼支架进行了微观组织观察及物相分析，316L不锈钢微观结构为奥氏体组织，热处理后晶粒会继续长大并穿过熔池，提升力学性能，减少了晶粒位错的存在；Ti6Al4V多孔骨骼支架成形后微观结构为α''马氏体，热处理后α''分解产生β相，增强多孔骨骼支架的韧性；两种材料成形的多孔骨骼支架在SLM技术成形和热处理前后，其材料成分和比例并未发生改变，多孔骨骼支架在成形后具有良好的稳定性。 本文通过对SLM成形的316L不锈钢多孔骨骼支架和Ti6Al4V多孔骨骼支架仿真模拟及实验结果的对比揭示了两种材料的优势和不足，316L不锈钢多孔骨骼支架具有良好的延展性，支架结构不易被破坏，而Ti6Al4V多孔骨骼支架相同条件下具有更好的力学性能，更加适用于人体骨骼植入。热处理对两种材料的多孔支架均有提升力学性能的作用。
NETL